Углеводы и термогенез у пчел Apis mellifera
(Carbohydrates and thermogenesis of honeybee Apis mellifera)

Выдержки из работы: Маршаков В.Г. «Биоэнергетика пчелиной семьи и проблемы практического пчеловодства» (готовится к печати)

5. Аргинин киназа и скорость оборота АТР в мышцах

Мышцы, способные работать с высокой частотой продолжительное время, обладают высокой способностью к аэробному синтезу АТР и, следовательно, высокой плотностью митохондрий. В летных мышцах пчел плотность митохондрий в объеме клетки достигает 43% (Suarez, 1996), а миофибриллы занимают до 54% (Suarez et al., 2000). Синхронные мышцы, работающие с высокой частотой, требуют большой скорости изменения концентрации ионов Ca2+ саркоплазматическим ретикулюмом (SR). Многие насекомые, особенно перепончатокрылые и двукрылые, обладают асинхронным типом мышц, характеризующимся очень слабым развитием SR, поэтому высокая частота сокращений ассоциируется с плотностью митохондрий, а не с плотностью SR (Josephson et al., 2000) и за ресинтез АТР после гидролиза клеточной АТРазой отвечает окислительное фосфорилирование в митохондриях.

Миофибриллы, митохондрии и SR в мышечных клетках столь плотно упакованы, что вполне уместно задать риторический вопрос: «где здесь цитозол?» (Suarez, 2003).

Поскольку скорость оборота АТР зависит от дистанции между митохондриальной АТР синтазой и активной АТРазой актомиозина, здесь мы сталкиваемся с одним исключением из обобщения о том, что градиент внутриклеточных метаболитов несущественен для метаболизма. Для процесса мышечной работы необходима высокая скорость диффузионного потока ADP из миофибрилл, где актомиозин АТРаза катализирует гидролиз АТР в ADP и фосфат, в митохондрии, где АТР ресинтезируется. Концентрация свободного ADP в цитоплазме мышечных клеток столь низка вследствие очень высокой скорости оборота АТР (Jacobus, 1985) и вследствие этого внутриклеточный градиент ADP недостаточен для обеспечения требуемого потока от миофибрилл в митохондрии.

Установлено, что в скелетных и сердечных мышцах позвоночных приблизительно половина фермента креатин киназы (CK) находится в саркоплазме, а вторая половина в особой изоформе граничит с митохондриями и миофибриллами.

Проблема ограничения окислительного фосфорилирования в митохондриях скоростью диффузии ADP решается посредством диффузии креатина (Cr) из миофибрилл в митохондрии, где под воздействием СК креатин фосфорилируется, получая фосфатную группу от АТР и диффундирует обратно в миофибриллы в форме креатин фосфата (CrP). В миофибриллах АТР гидролизуется АТРазой актомиозина и полученная ADP рефосфорилируется, используя CrP в реакции, катализируемой миофибриллярной CK. Сущность этого цикла, названного челночным (Meyer et al., 1984; Dzeja, Terzic, 2003), состоит в том, что транспортные функции креатина и CrP состоят в простой последовательности равновесных состояний креатин киназных реакций.

Рассмотрим эти два процесса по отдельности. Запишем реакции гидролиза и рефосфорилирования в миофибриллах:
     ATP4-+H2OADP3-+HPO42-+H+
     ADP3-+CrP+H+ATP4-+Cr
Обобщенная реакция 1:
     CrP+H2OCr+HPO42-
Реакции образования ATP и CrP в митохондриях:
     ADP3-+HPO42-+H+ATP4-+H2O
     Cr+ATP4-CrP+ADP3-+H+
Обобщенная реакция 2:
     Cr+HPO42-CrP+H2O

В первом случае креатин и ион-фосфат являются продуктами реакций, во втором – расходными компонентами. Обе реакции находятся под контролем креатин киназы. Это свидетельствует о том, что в челночном механизме участвуют креатин и ион-фосфат с одной стороны и креатин фосфат с другой, а ATP и ADP в этом не участвуют. У всех беспозвоночных и насекомых в частности, вместо креатин фосфата в обеспечении работающих мышц энергией принимает участие более древнее соединение – аргинин фосфат. Креатин позвоночных является производным аргинина.

Существует гипотеза, что если челночный креатин киназный механизм в состоянии обеспечить максимально необходимую скорость преобразования богатых энергией фосфатных соединений в работающих мышцах, то его скорость должна значительно превосходить скорость оборота АТР в митохондриях (Newsholme, Crabtree, 1976). Оценка активности креатин киназы и аргинин киназы, проведенная у разных видов животных (рыбы, моллюски, ракообразные, насекомые) (Newsholme et al., 1978), выявила у шмелей активность аргинин киназы в 7 раз ниже скорости оборота АТР в митохондриях, 138 и 1017 µmol/min per g muscle соответственно. На этом основании авторы приходят к выводу, что аргинин киназа не играет существенной роли в передаче богатых энергией фосфатов из митохондрий в миофибриллы, по крайней мере, в условиях более высокой скорости оборота АТР. Необходимо отметить два существенных момента: 1) величина оборота АТР получена на основе перерасчета неопубликованных данных по активности оксоглутарат дегидрогеназы (J.Paul, E.A.Newsholme, unpublished work) со ссылкой на аналогичную по методу работу (Read et al., 1977); 2) в опытах по определению активности аргинин киназы использовано всего 3 (!!!) экземпляра шмелей.

В этой связи представляется важным анализ условий сбора и хранения живого материала до проведения анализов. Согласно Read et al. (1977), насекомые (шмели, осы, пчелы) отлавливались во время фуражирования и использовались в тот же день или на следующий и сохранялись при температуре 5°C (insect flight muscles were removed after cooling the insect at 5°C), а по Newsholme et al. (1978) - материал использовался сразу после отлова, без указания температуры. Перерасчет активности оксоглутарат дегидрогеназы в скорость оборота АТР приведен в таблице 7. В работе Wegener et al. (1986) приводятся данные по активности аденилат киназы и скорости оборота АТР у шмелей Bombus agrorum (120 и 1017 µmol/min per g muscle соответственно) и пчел Apis mellifera (49 и 954 µmol/min per g muscle соответственно) со ссылкой на Newsholme et al. (1978), где, однако, данные для пчел отсутствуют. Аденилат киназная (миокиназная) реакция в миофибриллах осуществляет рефосфорилирование АТР при избытке ADP, что совместно с аргинин киназой увеличивает оборот АТР в мышцах: 2ADPATP+AMP. Тем не менее, даже совместное действие аргинин киназы и аденилат киназы значительно уступает скорости оборота АТР в митохондриях. Поскольку температура, при которой содержится живой материал, может существенно влиять на скорость гликолиза и, соответственно, на скорость оборота АТР в работающих мышцах, представляется полезным провести сравнение скорости оборота АТР с условиями содержания материала до проведения биохимических анализов (таблица 7).

Таблица 7. Влияние внешней температуры и функциональной нагрузки на скорость оборота АТР у пчел и шмелей.
Объект Активность ферментов
(µmolg-1•min-1)
Скорость
оборота АТР в
митохондриях
(µmolg-1•min-1)
Tα °C
HK PFK FbPase
Read et al. (1977):
Bombus hortorum
B. terrestris
B. pratorum
B. agrorum
Vespa vulgaris
 
(55,5)
(69,4)
(116,5)
(88,6)
(132,5)
 
1665
2498
4176
3190
4770

(5?)
(5)
(5)
(5)
(5)
Newsholme et al. (1978):
Bombus sp.
     
1017

(22?)
Staples et al. (2004):
B. rufocinctus
B. vagans
B. bimaculatus
B. impatiens
B. perplectus
B. affinis
B. terrestris
  (107)
(160)
(123)
(132)
(109)
(66,7)
(99,0)
(57,5)
(18,7)
(6,7)
(3,0)
(28,6)
(4,7)
(54,9)
1782
5086
4186
4644
2894
2232
1587
(4?)
(4)
(4)
(4)
(4)
(4)
(4?)
Schultze-Motel, Lamprecht
(1994):

B. terrestris
Терморегуляция
в пределах
одного цикла

      1575
1258
811
377
(26)
(26)
(26)
(26)
Read et al. (1977):
Apis mellifera
 
(54,1)
 
1947

(?)
Wegener et al. (1986):
A. mellifera
     
(954)

(?)
Suarez et al. (1996):
Летающие пчелы (free flying)

(39,6)
   
(1440)

(22)
Stabentheiner et al. (2003):
Пассивные пчелы (sitting)
29,5
15,2
4,5
    1062
547
162
(15)
(25)
(40)
Newsholme et al. (1972):
Пассивные пчелы

(29)

(20)
 
720

(22?)

Примечание. Значения в круглых скобках взяты из цитируемого источника, остальные рассчитаны автором статьи.

Совершенно очевидно, что на результаты влияет сложный поведенческий креатив, зависящий не только от температуры, но и от функциональной нагрузки. Пчелы с их сложной поведенческой моделью требуют особой строгости в экспериментах по оценке биохимической активности интермедиатов термогенеза и не только в отношении температуры. Тем не менее, интересен факт, что у всех исследованных насекомых активность аргинин киназы меньше скорости оборота АТР, в противоположность моллюскам и ракообразным, где активность аргинин киназы в десятки раз превышает оборот АТР (Newsholme et al., 1978), но при этом плотность фибрилл и митохондрий в миофибриллах намного меньше. У пчел зафиксирован также самый низкий уровень содержания в летных мышцах аргинин фосфата (анализ проводился всего на 2 (!!!) особях пчел), в 5-20 меньший, чем у других изученных видов из 7 отрядов насекомых (Beis, Newsholme, 1975). В ряде работ отрицается транспортная функция аргинин фосфата и других фосфагенов (за исключением креатин фосфата) у беспозвоночных вообще (Ellington, 1989; Ellington, Hines, 1991).

Однако другие исследования подтверждают роль аргинин киназы и аргинин фосфата в транспорте высокоэнергетических фосфатов от митохондрий до мест их использования. Высокая активность трех изоформ аргинин киназы обнаружена в нервной ткани и в сложных глазах пчел (Kucharski, Maleszka, 1998), в сперматеке пчелиной матки (Al-Lawati et al., 2009), в средней кишке бабочки Manduca sexta при низкой концентрации свободной ADP (Chamberlin, 1997). Полагая, что низкая концентрация свободной ADP в цитозоле мышечной клетки существенно ограничивает скорость оборота ATP между митохондриями и фибриллами в работающей мышце, Schneider et al. (1989) приходят к выводу о транспортной роли аргинина и аргинин фосфата в летных мышцах саранчи Locusta migratoria. Анализ концентрации ATP, ADP, фосфата и аргинин фосфата в мышцах мухи Phormia regina в течение 60 минут полета (Sacktor, Hurlbut, 1966), показал, что снижение концентрации аргинин фосфата пропорционально повышению концентрации фосфата, а снижение ATP соответствует повышению ADP, что согласуется с челночной гипотезой. Тем не менее, вопрос транспорта энергии остается открытым.

Во многих исследованиях по биохимии термогенеза у насекомых мы сталкиваемся с игнорированием или непониманием важности поведенческого аспекта живого материала, существенно влияющего на метаболизм объекта. Насекомые в ответ на внешнее раздражение или стрессовый фактор реагируют по-разному. Если, к примеру, тараканы в ответ на внешний раздражитель стремятся убежать (локомоторная функция), то шмели и пчелы – улететь. Именно поэтому во всех опытах по изучению активности летной мускулатуры у пчел в условиях их фиксации (Heinrich, Kammer, 1973; Kammer, Heinrich, 1974) неизбежно наблюдается потенциал возбуждения летных мышц при отсутствии полета и при определенных температурных условиях переходящий в тетанус (Esch, Goller, 1991; Schultze-Motel, Lamprecht, 1994). Вывод о том, что летные мышцы пчел и шмелей постоянно активны даже в отсутствие полета (при фуражировании) или находятся в состоянии тетануса, представляется не совсем корректным.

Наличие термогенеза у пчел, выражающееся в поднятии температуры груди, объективно регистрируется уже в случае объединения 50-100 особей даже вне улья и устойчиво проявляется при агрегации большого числа особей при роении или подготовке клуба к зимовке, а также при наличии печатного расплода. Во всех указанных случаях основным мотиватором термогенеза является степень и форма агрегации. Вследствие значительной общей численности пчелы способны более эффективно использовать периоды с высокой температурой воздуха, нежели шмели. Самке основательнице у шмелей даже с немногочисленным первым потомством из мелких рабочих особей приходиться заниматься фуражированием в значительно более жестких условиях, при которых без индивидуального термогенеза при низких температурах воздуха просто не обойтись. У изолированных пчел, лишенных мотиваторов функционального поведения, способность к термогенезу намного ниже, чем у шмелей.

предыдущая часть     cледующая часть

В.Г. Маршаков,
e-mail: volmar_georg@mail.ru